قام العلماء أخيرًا بتحديد تسلسل الجينوم البشري الكامل - وكشفوا عن أسرار وراثية جديدة
 |
| استغرق تسلسل آخر 8٪ من الجينوم البشري 20 عامًا واختراع تقنيات جديدة لقراءة التسلسلات الطويلة للشفرة الجينية ، والتي تتكون من النيوكليوتيدات C و T و G و A. يتكون الجينوم بأكمله من أكثر من 3 مليارات النيوكليوتيدات. |
تظهر تسلسلات الحمض النووي المتكررة حول السنترومير تاريخ الاختلاف الجيني البشري.
عندما أعلن العلماء عن التسلسل الكامل للجينوم البشري في عام 2003 ، كانوا يتلاعبون قليلاً.
في الواقع ، بعد ما يقرب من 20 عامًا ، لم يتم إجراء تسلسل كامل لحوالي 8٪ من الجينوم ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنه يتكون من قطع عالية التكرار من الحمض النووي يصعب مواءمتها مع البقية.
لكن اتحادًا عمره ثلاث سنوات قد ملأ أخيرًا ذلك الحمض النووي المتبقي ، مقدمًا أول تسلسل جينوم كامل بدون فجوات للعلماء والأطباء للرجوع إليه.
يمثل الجينوم المكتمل حديثًا ، المسمى T2T-CHM13 ، ترقية كبيرة من الجينوم المرجعي الحالي ، المسمى GRCh38 ، والذي يستخدمه الأطباء عند البحث عن الطفرات المرتبطة بالمرض ، وكذلك من قبل العلماء الذين يبحثون في تطور التباين الجيني البشري.
من بين أشياء أخرى ، تكشف تسلسلات الحمض النووي الجديدة عن تفاصيل لم يسبق لها مثيل حول المنطقة المحيطة بالسنترومير ، حيث يتم انتزاع الكروموسومات وفصلها عندما تنقسم الخلايا ، مما يضمن أن كل خلية "ابنة" ترث العدد الصحيح من الكروموسومات. قد يوفر التباين داخل هذه المنطقة أيضًا دليلًا جديدًا على كيفية تطور أسلافنا البشريين في إفريقيا.
قال نيكولاس ألتيموز ، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، "إن الكشف عن التسلسل الكامل لهذه المناطق المفقودة سابقًا من الجينوم أخبرنا بالكثير عن كيفية تنظيمها ، وهو أمر غير معروف تمامًا للعديد من الكروموسومات". مؤلف مشارك لأربع أوراق جديدة حول الجينوم المكتمل. "من قبل ، كان لدينا للتو الصورة الأكثر ضبابية لما كان هناك ، والآن أصبح واضحًا تمامًا وصولاً إلى دقة زوج أساسي واحد."
Altemose هو المؤلف الأول لورقة واحدة تصف تسلسل زوج القاعدة حول السنترومير. ستظهر ورقة تشرح كيفية إجراء التسلسل في الإصدار المطبوع في 1 أبريل من مجلة Science ، بينما يتم تلخيص ورقة Altemose's centromere وأربعة آخرين يصفون ما تخبرنا به التسلسلات الجديدة في المجلة مع نشر الأوراق الكاملة على الإنترنت. أربع ورقات مصاحبة ، بما في ذلك واحدة شارك Altemose في تأليفها الأول ، ستظهر أيضًا على الإنترنت في 1 أبريل في مجلة Nature Methods .
تم إجراء التسلسل والتحليل بواسطة فريق مكون من أكثر من 100 شخص ، يسمى اتحاد Telemere-to-Telomere ، أو T2T ، والذي سمي على اسم التيلوميرات التي تغطي نهايات جميع الكروموسومات. تتكون نسخة الكونسورتيوم الخالية من الفجوات لجميع الجسيمات الذاتية الـ 22 وكروموسوم الجنس X من 3.055 مليار زوج قاعدي ، والوحدات التي تُبنى منها الكروموسومات وجيناتنا ، و 19969 جينًا لترميز البروتين. من بين الجينات المشفرة للبروتين ، وجد فريق T2T حوالي 2000 جينة جديدة ، معظمها معاق ، لكن 115 منها قد لا يزال يتم التعبير عنها. ووجدوا أيضًا حوالي مليوني متغير إضافي في الجينوم البشري ، 622 منها تحدث في الجينات ذات الصلة طبيًا.
قال آدم فيليب ، أحد قادة T2T وأحد كبار باحث في المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري (NHGRI) التابع للمعاهد الوطنية للصحة. "كان الانتهاء حقًا من تسلسل الجينوم البشري بمثابة وضع زوج جديد من النظارات. الآن بعد أن أصبح بإمكاننا رؤية كل شيء بوضوح ، نقترب خطوة واحدة من فهم ما يعنيه كل شيء ".
المركز المتطور
يبلغ إجمالي تسلسل الحمض النووي الجديد في الوسط وحوله حوالي 6.2٪ من الجينوم بأكمله ، أو ما يقرب من 190 مليون زوج قاعدي ، أو نيوكليوتيدات. من بين المتواليات المضافة حديثًا المتبقية ، يوجد معظمها حول التيلوميرات في نهاية كل كروموسوم وفي المناطق المحيطة بجينات الريبوسوم. يتكون الجينوم بأكمله من أربعة أنواع فقط من النيوكليوتيدات ، والتي ، في مجموعات من ثلاثة ، ترمز للأحماض الأمينية المستخدمة في بناء البروتينات. تتضمن أبحاث Altemose الرئيسية اكتشاف واستكشاف مناطق الكروموسومات حيث تتفاعل البروتينات مع الحمض النووي.
.webp "المغازل (الخضراء) التي تفصل الكروموسومات عن بعضها أثناء انقسام الخلية مرتبطة بمركب بروتيني يسمى kinetochore") |
| المغازل (الخضراء) التي تفصل الكروموسومات عن بعضها أثناء انقسام الخلية مرتبطة بمركب بروتيني يسمى kinetochore ، والذي يلتصق بالكروموسوم في مكان يسمى centromere - وهي منطقة تحتوي على تسلسل DNA شديد التكرار. كشفت مقارنة تسلسل هذه التكرارات عن مكان تراكم الطفرات على مدى ملايين السنين ، مما يعكس العمر النسبي لكل تكرار. تميل التكرارات في المركز النشط إلى أن تكون أصغر وأحدث التسلسلات المكررة في المنطقة ، ولديها مثيلة منخفضة بشكل مذهل للحمض النووي. يحيط بالسنترومير النشط على كلا الجانبين التكرارات الأقدم ، وربما تكون بقايا السنتروميرات السابقة ، مع أقدمها الأبعد عن المركز النشط. يأمل الباحثون أن تساعد الأساليب التجريبية الجديدة في الكشف عن سبب تطور الكواكب المركزية من الوسط ، وكذلك سبب ارتباط هذا النمط ارتباطًا وثيقًا بالارتباط بواسطة kinetochore ومع انخفاض مثيلة الحمض النووي. |
قال ألتيموز الحاصل على درجة الدكتوراه: "بدون البروتينات ، لا يكون الحمض النووي شيئًا". في الهندسة الحيوية بالاشتراك من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو في عام 2021 بعد حصوله على D.Phil. في الإحصاء من جامعة أكسفورد. "الحمض النووي عبارة عن مجموعة من التعليمات لا أحد يقرأها إذا لم يكن يحتوي على بروتينات لتنظيمه وتنظيمه وإصلاحه عند تلفه وتكراره. تفاعلات البروتين والحمض النووي هي حقًا المكان الذي تحدث فيه كل الإجراءات لتنظيم الجينوم ، والقدرة على تحديد مكان ارتباط بروتينات معينة بالجينوم أمر مهم حقًا لفهم وظيفتها ".
بعد أن قام كونسورتيوم T2T بتسلسل الحمض النووي المفقود ، استخدم Altemose وفريقه تقنيات جديدة للعثور على مكان داخل السنترومير حيث يقوم مركب بروتين كبير يسمى kinetochore بإمساك الكروموسوم بقوة بحيث يمكن للآلات الأخرى الموجودة داخل النواة أن تفصل أزواج الكروموسوم.
قال: "عندما يحدث هذا بشكل خاطئ ، ينتهي بك الأمر مع كروموسومات غير منفصلة ، وهذا يؤدي إلى جميع أنواع المشاكل". "إذا حدث ذلك في الانقسام الاختزالي ، فهذا يعني أنه يمكن أن يكون لديك تشوهات صبغية تؤدي إلى إجهاض تلقائي أو أمراض خلقية. إذا حدث ذلك في الخلايا الجسدية ، يمكن أن ينتهي بك الأمر بالإصابة بالسرطان - الخلايا التي لديها سوء تنظيم هائل ".
ما وجدوه داخل وحول السنتروميرات كان عبارة عن طبقات من التسلسلات الجديدة التي تغطي طبقات من التسلسلات الأقدم ، كما لو تم وضع مناطق مركزية جديدة مرارًا وتكرارًا من خلال التطور للارتباط مع النواة الحركية. تتميز المناطق القديمة بمزيد من الطفرات العشوائية وعمليات الحذف ، مما يشير إلى أنها لم تعد مستخدمة من قبل الخلية. التسلسلات الأحدث حيث تكون روابط kinetochore أقل تنوعًا ، وأيضًا أقل ميثلة. إن إضافة مجموعة الميثيل هي علامة فوق جينية تميل إلى إسكات الجينات.
تتكون جميع الطبقات داخل وحول المركز من أطوال متكررة من الحمض النووي ، استنادًا إلى وحدة يبلغ طولها حوالي 171 زوجًا قاعديًا ، وهو تقريبًا طول الحمض النووي الذي يلتف حول مجموعة من البروتينات ليشكل جسيمًا نوويًا ، مما يحافظ على حزم الحمض النووي. ومضغوط. تشكل وحدات زوج الأساس هذه البالغ عددها 171 تراكيبًا متكررة أكبر تتكرر عدة مرات جنبًا إلى جنب ، مما يؤدي إلى تكوين منطقة كبيرة من التتابعات المتكررة حول المركز.
ركز فريق T2T على جينوم بشري واحد فقط ، تم الحصول عليه من ورم غير سرطاني يسمى الخلد المائي ، وهو في الأساس جنين بشري رفض الحمض النووي للأم ونسخ الحمض النووي الأبوي بدلاً من ذلك. تموت هذه الأجنة وتتحول إلى أورام. لكن حقيقة أن هذا الخلد يحتوي على نسختين متطابقتين من الحمض النووي الأبوي - مع كلاهما مع كروموسوم الأب X ، بدلاً من الحمض النووي المختلف لكل من الأم والأب - جعلت من السهل التسلسل.
أصدر الباحثون هذا الأسبوع أيضًا التسلسل الكامل لكروموسوم Y من مصدر مختلف ، والذي استغرق تقريبًا وقتًا لتجميعه مثل باقي الجينوم مجتمعًا ، كما قال Altemose. سيظهر تحليل تسلسل كروموسوم Y الجديد هذا في منشور مستقبلي.
 |
| عندما قارن الباحثون المناطق المركزية التي تضم 1600 شخص من جميع أنحاء العالم ، وجدوا أن أولئك الذين ليس لديهم أصل أفريقي حديث لديهم في الغالب نوعان من اختلافات التسلسل. يتم تمثيل نسب هذين التباينين بالأوتاد السوداء والرمادية الفاتحة داخل الدوائر ، والتي يتم وضعها على الخريطة بالقرب من الموقع حيث تم أخذ عينات من كل مجموعة من الأفراد. أولئك الذين ينتمون إلى إفريقيا أو مناطق أخرى بها نسبة كبيرة من الأشخاص من أصل أفريقي حديث ، مثل منطقة البحر الكاريبي ، لديهم تباين في التسلسل المركزي أكثر بكثير ، يمثله أسافين متعددة الألوان. يمكن أن تساعد هذه الاختلافات في تتبع كيفية تطور المناطق المركزية ، وكذلك كيفية ارتباط هذه المتغيرات الجينية بالصحة والمرض. |
استخدم Altemose وفريقه ، الذي يضم عالمة مشروع جامعة كاليفورنيا في بيركلي ساشا لانجلي ، الجينوم المرجعي الجديد كسقالة لمقارنة الحمض النووي المركزي لـ 1600 فرد من جميع أنحاء العالم ، وكشفوا عن اختلافات كبيرة في كل من التسلسل وعدد النسخ من الحمض النووي المتكرر حول العالم. السنترومير. أظهرت الدراسات السابقة أنه عندما هاجرت مجموعات من البشر القدامى من إفريقيا إلى بقية العالم ، أخذوا معهم عينة صغيرة فقط من المتغيرات الجينية. أكد Altemose وفريقه أن هذا النمط يمتد إلى السنتروميرات.
"ما وجدناه هو أنه في الأفراد ذوي الأصول الحديثة خارج القارة الأفريقية ، تميل مراكزهم المركزية ، على الأقل على الكروموسوم X ، إلى الانقسام إلى مجموعتين كبيرتين ، في حين أن معظم الاختلاف المثير للاهتمام يكون في الأفراد الذين لديهم أصول أفريقية حديثة" ، Altemose قال. "هذه ليست مفاجأة تمامًا ، بالنظر إلى ما نعرفه عن بقية الجينوم. ولكن ما يقترحه هو أننا إذا أردنا النظر إلى الاختلاف المثير للاهتمام في هذه المناطق المركزية ، فإننا نحتاج حقًا إلى بذل جهد مركّز لتسلسل المزيد من الجينومات الأفريقية والقيام بتجميع تسلسل كامل من التيلومير إلى التيلومير ".
وأشار إلى أنه يمكن أيضًا استخدام تسلسل الحمض النووي حول السنترومير لتتبع الأنساب البشرية إلى أسلافنا القرود المشتركة.
"عندما تبتعد عن موقع السنترومير النشط ، تحصل على المزيد والمزيد من التسلسل المتدهور ، لدرجة أنه إذا خرجت إلى أبعد شواطئ هذا البحر من التسلسلات المتكررة ، فستبدأ في رؤية السنترومير القديم الذي ، ربما ، أسلافنا الرئيسيات البعيدين اعتادوا الارتباط بحركية الكينيتوشور ، "قال ألتيموز. "إنها تشبه طبقات الأحافير تقريبًا."
تسلسل قراءة طويلة يغير قواعد اللعبة
يعود نجاح T2T إلى التقنيات المحسّنة لتسلسل الامتدادات الطويلة من الحمض النووي دفعة واحدة ، مما يساعد عند تحديد ترتيب الامتدادات المتكررة للغاية للحمض النووي. من بينها تسلسل HiFi من PacBio ، والذي يمكنه قراءة أطوال أكثر من 20000 زوج أساسي بدقة عالية . من ناحية أخرى ، يمكن للتقنية التي طورتها شركة Oxford Nanopore Technologies Ltd. قراءة ما يصل إلى عدة ملايين من الأزواج الأساسية بالتسلسل ، وإن كان ذلك بدقة أقل. للمقارنة ، فإن ما يسمى بتسلسل الجيل التالي من شركة Illumina يقتصر على مئات الأزواج الأساسية.
"إن تقنيات تسلسل الحمض النووي الجديدة طويلة القراءة لا تصدق ؛ إنهم يغيرون قواعد اللعبة ، ليس فقط لعالم الحمض النووي المتكرر هذا ، ولكن لأنهم يسمحون لك بتسلسل جزيئات طويلة واحدة من الحمض النووي ، "قال Altemose. "يمكنك البدء في طرح الأسئلة بمستوى من الدقة لم يكن ممكنًا من قبل ، ولا حتى باستخدام طرق تسلسل القراءة القصيرة."
يخطط Altemose لاستكشاف المناطق المركزية بشكل أكبر ، باستخدام تقنية محسنة طورها هو وزملاؤه في ستانفورد لتحديد المواقع على الكروموسوم المرتبطة بالبروتينات ، على غرار كيفية ارتباط kinetochore بالسنترومير. تستخدم هذه التقنية أيضًا تقنية تسلسل القراءة الطويلة. وصف هو ومجموعته التقنية ، المسماة Directed Methylation مع تسلسل طويل القراءة (DiMeLo-seq) ، في ورقة بحثية نُشرت هذا الأسبوع في مجلة Nature Methods .
وفي الوقت نفسه ، يشترك اتحاد T2T مع اتحاد مرجعي PanGenome البشري للعمل نحو جينوم مرجعي يمثل البشرية جمعاء.
قال ألتيموز: "بدلاً من مجرد الحصول على مرجع واحد من فرد بشري واحد أو خلد مائي واحد ، والذي ليس حتى فردًا بشريًا حقيقيًا ، يجب أن يكون لدينا مرجع يمثل الجميع". "هناك العديد من الأفكار حول كيفية تحقيق ذلك. ولكن ما نحتاجه أولاً هو فهم كيف يبدو هذا الاختلاف ، ونحتاج إلى الكثير من سلاسل الجينوم الفردية عالية الجودة لتحقيق ذلك ".
تم تمويل عمله في المناطق المركزية ، والذي أسماه "مشروع العاطفة" ، من خلال زمالات ما بعد الدكتوراه. كان قادة مشروع T2T هم كارين ميغا من جامعة كاليفورنيا بسانتا كروز ، وإيفان إيشلر من جامعة واشنطن ، وآدم فيليب من NHGRI ، الذين قدموا الكثير من التمويل. المؤلفون المشاركون الآخرون لجامعة كاليفورنيا في بيركلي لورقة centromere هم آرون ستريتس ، الأستاذ المساعد في الهندسة الحيوية. آبي ديرنبرج وجاري كاربين ، أساتذة البيولوجيا الجزيئية والخلوية ؛ عالم المشروع ساشا لانجلي. وزميلة ما بعد الدكتوراه السابقة جينا كالداس.